Evaluation of a Load Profiling Approach to Routing Guaranteed Bandwidth Flows

To support the diverse Quality of Service (QoS) requirements of real-time (e.g. audio/video) applications in integrated services networks, several routing algorithms that allow for the reservation of the needed bandwidth over a Virtual Circuit (VC) established on one of several candidate routes have been proposed. Traditionally, such routing is done using the least-loaded concept, and thus results in balancing the load across the set of candidate routes. In a recent study, we have established the inadequacy of this load balancing practice and proposed the use of load profiling as an alternative. Load profiling techniques allow the distribution of "available" bandwidth across a set of candidate routes to match the characteristics of incoming VC QoS requests. In this paper we thoroughly characterize the performance of VC routing using load profiling and contrast it to routing using load balancing and load packing. We do so both analytically and via extensive simulations of multi-class traffic routing in Virtual Path (VP) based networks. Our findings confirm that for routing guaranteed bandwidth flows in VP networks, load balancing is not desirable as it results in VP bandwidth fragmentation, which adversely affects the likelihood of accepting new VC requests. This fragmentation is more pronounced when the granularity of VC requests is large. Typically, this occurs when a common VC is established to carry the aggregate traffic flow of many high-bandwidth real-time sources. For VP-based networks, our simulation results show that our load-profiling VC routing scheme performs better or as well as the traditional load-balancing VC routing in terms of revenue under both skewed and uniform workloads. Furthermore, load-profiling routing improves routing fairness by proactively increasing the chances of admitting high-bandwidth connections.

EGOIST: Overlay Routing Using Selfish Neighbor Selection

A foundational issue underlying many overlay network applications ranging from routing to P2P file sharing is that of connectivity management, i.e., folding new arrivals into an existing overlay, and re-wiring to cope with changing network conditions. Previous work has considered the problem from two perspectives: devising practical heuristics for specific applications designed to work well in real deployments, and providing abstractions for the underlying problem that are analytically tractable, especially via game-theoretic analysis. In this paper, we unify these two thrusts by using insights gleaned from novel, realistic theoretic models in the design of Egoist – a prototype overlay routing system that we implemented, deployed, and evaluated on PlanetLab. Using measurements on PlanetLab and trace-based simulations, we demonstrate that Egoist's neighbor selection primitives significantly outperform existing heuristics on a variety of performance metrics, including delay, available bandwidth, and node utilization. Moreover, we demonstrate that Egoist is competitive with an optimal, but unscalable full-mesh approach, remains highly effective under significant churn, is robust to cheating, and incurs minimal overhead. Finally, we discuss some of the potential benefits Egoist may offer to applications.

Supporting Predicate Routing in DTN over MANET

We consider a Delay Tolerant Network (DTN) whose users (nodes) are connected by an underlying Mobile Ad hoc Network (MANET) substrate. Users can declaratively express high-level policy constraints on how "content" should be routed. For example, content may be diverted through an intermediary DTN node for the purposes of preprocessing, authentication, etc. To support such capability, we implement Predicate Routing [7] where high-level constraints of DTN nodes are mapped into low-level routing predicates at the MANET level. Our testbed uses a Linux system architecture and leverages User Mode Linux [2] to emulate every node running a DTN Reference Implementation code [5]. In our initial prototype, we use the On Demand Distance Vector (AODV) MANET routing protocol. We use the network simulator ns-2 (ns-emulation version) to simulate the mobility and wireless connectivity of both DTN and MANET nodes. We show preliminary throughput results showing the efficient and correct operation of propagating routing predicates, and as a side effect, the performance benefit of content re-routing that dynamically (on-demand) breaks the underlying end-to-end TCP connection into shorter-length TCP connections.

The EGOIST Overlay Routing System

A foundational issue underlying many overlay network applications ranging from routing to peer-to-peer file sharing is that of connectivity management, i.e., folding new arrivals into an existing overlay, and rewiring to cope with changing network conditions. Previous work has considered the problem from two perspectives: devising practical heuristics for specific applications designed to work well in real deployments, and providing abstractions for the underlying problem that are analytically tractable, especially via game-theoretic analysis. In this paper, we unify these two thrusts by using insights gleaned from novel, realistic theoretic models in the design of Egoist – a distributed overlay routing system that we implemented, deployed, and evaluated on PlanetLab. Using extensive measurements of paths between nodes, we demonstrate that Egoist’s neighbor selection primitives significantly outperform existing heuristics on a variety of performance metrics, including delay, available bandwidth, and node utilization. Moreover, we demonstrate that Egoist is competitive with an optimal, but unscalable full-mesh approach, remains highly effective under significant churn, is robust to cheating, and incurs minimal overhead. Finally, we use a multiplayer peer-to-peer game to demonstrate the value of Egoist to end-user applications. This technical report supersedes BUCS-TR-2007-013.

PreDA: Predicate Routing for DTN Architectures over MANET

We consider a Delay Tolerant Network (DTN) whose users (nodes) are connected by an underlying Mobile Ad hoc Network (MANET) substrate. Users can declaratively express high-level policy constraints on how “content” should be routed. For example, content can be directed through an intermediary DTN node for the purposes of preprocessing, authentication, etc., or content from a malicious MANET node can be dropped. To support such content routing at the DTN level, we implement Predicate Routing [1] where high-level constraints of DTN nodes are mapped into low-level routing predicates within the MANET nodes. Our testbed [2] uses a Linux system architecture with User Mode Linux [3] to emulate every DTN node with a DTN Reference Implementation code [4]. In our initial architecture prototype, we use the On Demand Distance Vector (AODV) routing protocol at the MANET level. We use the network simulator ns-2 (ns-emulation version) to simulate the wireless connectivity of both DTN and MANET nodes. Preliminary results show the efficient and correct operation of propagating routing predicates. For the application of content re-routing through an intermediary, as a side effect, results demonstrate the performance benefit of content re-routing that dynamically (on-demand) breaks the underlying end-to-end TCP connections into shorter-length TCP connections.

All-optical routing functionalities

All-optical solutions for switching and routing packet-based traffic are crucial for realizing a truly transparent network. To meet the increasing requirements for higher bandwidth, such optical packet switched networks may require the implementation of digital functions in the physical layer. This scenario stimulated us to research and develop innovative high-speed all-optical storage memories, focusing mainly on bistables whose state switching is triggered by a pulsed clock signal. In clocked devices, a synchronization signal is responsible for controlling the enabling of the bistable. This thesis also presents novel solutions to implement optical logic gates, which are basic building blocks of any processing system and a fundamental element for the development of complex processing functionalities. Most of the proposed schemes developed in this work are based on SOA-MZI structures due to their inherent characteristics such as, high extinction ratio, high operation speed, high integration capability and compactness. We addressed the experimental implementation of an all-optical packet routing scheme, with contention resolution capability, using interconnected SOAMZIs. The impact on the system performance of the reminiscent power of the blocked packets, from the non ideal switching performed by the SOA-MZIs, was also assessed.

Analyse de la performance du système portuaire de l'Arctique canadien

Les changements climatiques amènent des transformations profondes de l’environnement arctique. La diminution de l’étendue de la couverture de glace permet un accès facilité aux ressources naturelles et aux communautés nordiques. Au Canada, la région arctique est caractérisée par une géographie archipélagique et un réseau de transport rudimentaire. Le transport maritime est le mode privilégié pour l’acheminement du fret aux communautés et aux sites industriels de l’Arctique. La littérature scientifique présente des lacunes importantes au sujet de la navigation commerciale dans l’Arctique canadien. Peu d’études portent sur le trafic de ravitaillement en raison de son volume peu élevé et de la faible diversité des types de produits transportés, bien qu’il s’agisse d’une activité grandement significative pour les populations et l’économie du Nord. Cette recherche vise à combler cette lacune en dressant un portrait du transport maritime et de la performance des opérations portuaires dans l’Arctique canadien. L’étude est structurée en quatre parties. Une analyse du trafic et des échanges maritimes est d’abord réalisée sous trois échelles : internationale, nationale et intra-arctique. Ensuite, l’étude de la flotte et des routes fait ressortir la distribution géographique des transporteurs. Puis, la performance des ports est mesurée grâce à des indicateurs et un système de cotation. Finalement, une évaluation des opérations maritimes arctiques est menée par l’entremise d’informations récoltées lors d’entrevues avec les membres de l’industrie maritime, de conférences et de travail de terrain. Les sujets abordés concernent l’évolution de la desserte, les défis posés par la navigation en milieu arctique et le développement des ports du Nord canadien. Les résultats de l’étude mènent à la conclusion que le transport maritime dans l’Arctique est caractérisé par une croissance positive du volume acheminé et une implication profonde des transporteurs dédiés à la desserte nordique, mais des infrastructures portuaires et maritimes sous-développées.

Tactical Vehicle Routing Planning with Application to Milk Collection and Distribution

De nombreux problèmes pratiques qui se posent dans dans le domaine de la logistique, peuvent être modélisés comme des problèmes de tournées de véhicules. De façon générale, cette famille de problèmes implique la conception de routes, débutant et se terminant à un dépôt, qui sont utilisées pour distribuer des biens à un nombre de clients géographiquement dispersé dans un contexte où les coûts associés aux routes sont minimisés. Selon le type de problème, un ou plusieurs dépôts peuvent-être présents. Les problèmes de tournées de véhicules sont parmi les problèmes combinatoires les plus difficiles à résoudre. Dans cette thèse, nous étudions un problème d’optimisation combinatoire, appartenant aux classes des problèmes de tournées de véhicules, qui est liée au contexte des réseaux de transport. Nous introduisons un nouveau problème qui est principalement inspiré des activités de collecte de lait des fermes de production, et de la redistribution du produit collecté aux usines de transformation, pour la province de Québec. Deux variantes de ce problème sont considérées. La première, vise la conception d’un plan tactique de routage pour le problème de la collecte-redistribution de lait sur un horizon donné, en supposant que le niveau de la production au cours de l’horizon est fixé. La deuxième variante, vise à fournir un plan plus précis en tenant compte de la variation potentielle de niveau de production pouvant survenir au cours de l’horizon considéré. Dans la première partie de cette thèse, nous décrivons un algorithme exact pour la première variante du problème qui se caractérise par la présence de fenêtres de temps, plusieurs dépôts, et une flotte hétérogène de véhicules, et dont l’objectif est de minimiser le coût de routage. À cette fin, le problème est modélisé comme un problème multi-attributs de tournées de véhicules. L’algorithme exact est basé sur la génération de colonnes impliquant un algorithme de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources. Dans la deuxième partie, nous concevons un algorithme exact pour résoudre la deuxième variante du problème. À cette fin, le problème est modélisé comme un problème de tournées de véhicules multi-périodes prenant en compte explicitement les variations potentielles du niveau de production sur un horizon donné. De nouvelles stratégies sont proposées pour résoudre le problème de plus court chemin élémentaire avec contraintes de ressources, impliquant dans ce cas une structure particulière étant donné la caractéristique multi-périodes du problème général. Pour résoudre des instances de taille réaliste dans des temps de calcul raisonnables, une approche de résolution de nature heuristique est requise. La troisième partie propose un algorithme de recherche adaptative à grands voisinages où de nombreuses nouvelles stratégies d’exploration et d’exploitation sont proposées pour améliorer la performances de l’algorithme proposé en termes de la qualité de la solution obtenue et du temps de calcul nécessaire.

Meta-heuristic Solution Methods for Rich Vehicle Routing Problems

Le problème de tournées de véhicules (VRP), introduit par Dantzig and Ramser en 1959, est devenu l'un des problèmes les plus étudiés en recherche opérationnelle, et ce, en raison de son intérêt méthodologique et de ses retombées pratiques dans de nombreux domaines tels que le transport, la logistique, les télécommunications et la production. L'objectif général du VRP est d'optimiser l'utilisation des ressources de transport afin de répondre aux besoins des clients tout en respectant les contraintes découlant des exigences du contexte d’application. Les applications réelles du VRP doivent tenir compte d’une grande variété de contraintes et plus ces contraintes sont nombreuse, plus le problème est difficile à résoudre. Les VRPs qui tiennent compte de l’ensemble de ces contraintes rencontrées en pratique et qui se rapprochent des applications réelles forment la classe des problèmes ‘riches’ de tournées de véhicules. Résoudre ces problèmes de manière efficiente pose des défis considérables pour la communauté de chercheurs qui se penchent sur les VRPs. Cette thèse, composée de deux parties, explore certaines extensions du VRP vers ces problèmes. La première partie de cette thèse porte sur le VRP périodique avec des contraintes de fenêtres de temps (PVRPTW). Celui-ci est une extension du VRP classique avec fenêtres de temps (VRPTW) puisqu’il considère un horizon de planification de plusieurs jours pendant lesquels les clients n'ont généralement pas besoin d’être desservi à tous les jours, mais plutôt peuvent être visités selon un certain nombre de combinaisons possibles de jours de livraison. Cette généralisation étend l'éventail d'applications de ce problème à diverses activités de distributions commerciales, telle la collecte des déchets, le balayage des rues, la distribution de produits alimentaires, la livraison du courrier, etc. La principale contribution scientifique de la première partie de cette thèse est le développement d'une méta-heuristique hybride dans la quelle un ensemble de procédures de recherche locales et de méta-heuristiques basées sur les principes de voisinages coopèrent avec un algorithme génétique afin d’améliorer la qualité des solutions et de promouvoir la diversité de la population. Les résultats obtenus montrent que la méthode proposée est très performante et donne de nouvelles meilleures solutions pour certains grands exemplaires du problème. La deuxième partie de cette étude a pour but de présenter, modéliser et résoudre deux problèmes riches de tournées de véhicules, qui sont des extensions du VRPTW en ce sens qu'ils incluent des demandes dépendantes du temps de ramassage et de livraison avec des restrictions au niveau de la synchronization temporelle. Ces problèmes sont connus respectivement sous le nom de Time-dependent Multi-zone Multi-Trip Vehicle Routing Problem with Time Windows (TMZT-VRPTW) et de Multi-zone Mult-Trip Pickup and Delivery Problem with Time Windows and Synchronization (MZT-PDTWS). Ces deux problèmes proviennent de la planification des opérations de systèmes logistiques urbains à deux niveaux. La difficulté de ces problèmes réside dans la manipulation de deux ensembles entrelacés de décisions: la composante des tournées de véhicules qui vise à déterminer les séquences de clients visités par chaque véhicule, et la composante de planification qui vise à faciliter l'arrivée des véhicules selon des restrictions au niveau de la synchronisation temporelle. Auparavant, ces questions ont été abordées séparément. La combinaison de ces types de décisions dans une seule formulation mathématique et dans une même méthode de résolution devrait donc donner de meilleurs résultats que de considérer ces décisions séparément. Dans cette étude, nous proposons des solutions heuristiques qui tiennent compte de ces deux types de décisions simultanément, et ce, d'une manière complète et efficace. Les résultats de tests expérimentaux confirment la performance de la méthode proposée lorsqu’on la compare aux autres méthodes présentées dans la littérature. En effet, la méthode développée propose des solutions nécessitant moins de véhicules et engendrant de moindres frais de déplacement pour effectuer efficacement la même quantité de travail. Dans le contexte des systèmes logistiques urbains, nos résultats impliquent une réduction de la présence de véhicules dans les rues de la ville et, par conséquent, de leur impact négatif sur la congestion et sur l’environnement.

Routing protocol enhancement for handling node mobility in wireless sensor networks

In wireless sensor networks, the routing algorithms currently available assume that the sensor nodes are stationary. Therefore when mobility modulation is applied to the wireless sensor networks, most of the current routing algorithms suffer from performance degradation. The path breaks in mobile wireless networks are due to the movement of mobile nodes, node failure, channel fading and shadowing. It is desirable to deal with dynamic topology changes with optimal effort in terms of resource and channel utilization. As the nodes in wireless sensor medium make use of wireless broadcast to communicate, it is possible to make use of neighboring node information to recover from path failure. Cooperation among the neighboring nodes plays an important role in the context of routing among the mobile nodes. This paper proposes an enhancement to an existing protocol for accommodating node mobility through neighboring node information while keeping the utilization of resources to a minimum.

Performance improvement of multiple Connections in AODV with the concern of Node bandwidth

Mobile Ad-hoc Networks (MANETS) consists of a collection of mobile nodes without having a central coordination. In MANET, node mobility and dynamic topology play an important role in the performance. MANET provide a solution for network connection at anywhere and at any time. The major features of MANET are quick set up, self organization and self maintenance. Routing is a major challenge in MANET due to it’s dynamic topology and high mobility. Several routing algorithms have been developed for routing. This paper studies the AODV protocol and how AODV is performed under multiple connections in the network. Several issues have been identified. The bandwidth is recognized as the prominent factor reducing the performance of the network. This paper gives an improvement of normal AODV for simultaneous multiple connections under the consideration of bandwidth of node.

Channel Adaptive MAC Protocol with Traffic-Aware Distributed Power Management in Wireless Sensor Networks-Some Performance Issues

In Wireless Sensor Networks (WSN), neglecting the effects of varying channel quality can lead to an unnecessary wastage of precious battery resources and in turn can result in the rapid depletion of sensor energy and the partitioning of the network. Fairness is a critical issue when accessing a shared wireless channel and fair scheduling must be employed to provide the proper flow of information in a WSN. In this paper, we develop a channel adaptive MAC protocol with a traffic-aware dynamic power management algorithm for efficient packet scheduling and queuing in a sensor network, with time varying characteristics of the wireless channel also taken into consideration. The proposed protocol calculates a combined weight value based on the channel state and link quality. Then transmission is allowed only for those nodes with weights greater than a minimum quality threshold and nodes attempting to access the wireless medium with a low weight will be allowed to transmit only when their weight becomes high. This results in many poor quality nodes being deprived of transmission for a considerable amount of time. To avoid the buffer overflow and to achieve fairness for the poor quality nodes, we design a Load prediction algorithm. We also design a traffic aware dynamic power management scheme to minimize the energy consumption by continuously turning off the radio interface of all the unnecessary nodes that are not included in the routing path. By Simulation results, we show that our proposed protocol achieves a higher throughput and fairness besides reducing the delay

Routing Protocol Enhancement for handling Node Mobility in Wireless Sensor Networks

In wireless sensor networks, the routing algorithms currently available assume that the sensor nodes are stationary. Therefore when mobility modulation is applied to the wireless sensor networks, most of the current routing algorithms suffer from performance degradation. The path breaks in mobile wireless networks are due to the movement of mobile nodes, node failure, channel fading and shadowing. It is desirable to deal with dynamic topology changes with optimal effort in terms of resource and channel utilization. As the nodes in wireless sensor medium make use of wireless broadcast to communicate, it is possible to make use of neighboring node information to recover from path failure. Cooperation among the neighboring nodes plays an important role in the context of routing among the mobile nodes. This paper proposes an enhancement to an existing protocol for accommodating node mobility through neighboring node information while keeping the utilization of resources to a minimum.

Routing Protocol Enhancement for handling Node Mobility in Wireless Sensor Networks

In wireless sensor networks, the routing algorithms currently available assume that the sensor nodes are stationary. Therefore when mobility modulation is applied to the wireless sensor networks, most of the current routing algorithms suffer from performance degradation. The path breaks in mobile wireless networks are due to the movement of mobile nodes, node failure, channel fading and shadowing. It is desirable to deal with dynamic topology changes with optimal effort in terms of resource and channel utilization. As the nodes in wireless sensor medium make use of wireless broadcast to communicate, it is possible to make use of neighboring node information to recover from path failure. Cooperation among the neighboring nodes plays an important role in the context of routing among the mobile nodes. This paper proposes an enhancement to an existing protocol for accommodating node mobility through neighboring node information while keeping the utilization of resources to a minimum.

Impact of Node Mobility on Routing Protocols for Wireless Sensor Networks

Wireless sensor networks monitor their surrounding environment for the occurrence of some anticipated phenomenon. Most of the research related to sensor networks considers the static deployment of sensor nodes. Mobility of sensor node can be considered as an extra dimension of complexity, which poses interesting and challenging problems. Node mobility is a very important aspect in the design of effective routing algorithm for mobile wireless networks. In this work we intent to present the impact of different mobility models on the performance of the wireless sensor networks. Routing characteristics of various routing protocols for ad-hoc network were studied considering different mobility models. Performance metrics such as end-to-end delay, throughput and routing load were considered and their variations in the case of mobility models like Freeway, RPGM were studied. This work will be useful to figure out the characteristics of routing protocols depending on the mobility patterns of sensors